7.1.1.1　Fe-Fe3C相图和Fe-G（石墨）相图

铸铁中的碳除少量固溶于基体中，主要以化合态的渗碳体和游离态的石墨两种形式存在。石墨具有简单六方晶格（见图 7.1），六方晶格底面上原子之间以共价键结合，间距小，结合力强；而底面间通过分子键结合，间距大，结合力较弱。故结晶时，易形成层片状形态，强度、塑性和韧性都几乎为零，硬度也仅为3 HBW。

图7.1　石墨的晶体结构

渗碳体是亚稳相，石墨是稳定相。在高温长时间加热保温的条件下，渗碳体会分解成铁和石墨：Fe3C→3Fe＋C。因此，铁碳合金实际上存在两个相图：亚稳系Fe-Fe3C相图和稳定系Fe-G 相图，将这两个相图放在同一个坐标轴中，称为铁碳双重相图，如图7.2所示。图中实线表示Fe-Fe3C相图，虚线表示 Fe-G 相图。在成分和结构上石墨与液相（或奥氏体）差别很大，而渗碳体与液相（或奥氏体）的差别较小，因此，从铸铁液相或奥氏体中析出渗碳体比析出石墨较为容易。故图中虚线在实线的上方，要按Fe-G相图结晶，需要更慢的冷却速度。根据条件不同，铁碳合金可全部或部分按其中一种相图结晶。

图7.2　铁碳双重相图

7.1.1.2　铸铁的石墨化过程

铸铁中的石墨可以按照 Fe-G 相图直接从液态或奥氏体中析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。铸铁中的碳原子析出石墨的过程称为石墨化。

铸铁的石墨化过程可分为3个阶段。

第一阶段石墨化：在E′C′F′线及其以上发生的石墨化。按Fe-G相图结晶，从过共晶成分液相中析出一次石墨（GⅠ）和在共晶温度（1 154 °C）下发生共晶转变析出共晶石墨（LC′→γE′＋G共晶）；或先按Fe-Fe3C相图结晶，然后加热时Fe3CⅠ和Fe3C共晶分解得到石墨。

第二阶段石墨化：在E′C′F′线和P′S′K′线之间发生的石墨化。在共晶和共析温度（1 154～738 °C）之间冷却时，过饱和奥氏体成分沿E S′′变化析出二次石墨（GⅡ）；或加热时 Fe3CⅡ分解得到石墨。

第三阶段石墨化：在P′S′K′线及其以下发生的石墨化。在共析温度（738 °C）下发生共析转变析出的共析石墨（γS′→αP′+G共析）和共析温度以下冷却时从过饱和铁素体中析出的三次石墨（GⅢ）；或加热时Fe3C共析和Fe3CⅢ分解得到石墨。

铸铁在高温冷却时，原子扩散能力较强，石墨化过程能充分进行。因此，一般第一、第二阶段石墨化过程可以进行得较完全，得到全部的 A＋G 组织。第三阶段石墨化过程因成分和冷却速度的不同，完全、部分或不进行，最终组织分别为F＋G、F＋P＋G和P＋G，如表7.1所示。(www.daowen.com)

表7.1　铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系（以共晶铸铁为例）

7.1.1.3　影响石墨化的因素

1．化学成分

碳和硅是能强烈促进石墨化的元素，3%的硅相当于 1%的碳的作用。铝、铜、镍、钴等元素对石墨化也有一定的促进作用，而硫、锰、铬、钨、钼、钒等元素则阻碍石墨化。

碳、硅的质量分数过低，易出现白口组织，使铸铁的力学性能和铸造性能变差；碳、硅的质量分数过高，石墨片粗大，基体内铁素体增加，珠光体减少，导致铸铁的力学性能降低。磷虽然可促进石墨化，但其质量分数高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，因此只有耐磨铸铁中磷的质量分数较高（在 0.3%以上）。硫强烈阻碍石墨化过程，同时会降低铸铁的铸造性能和力学性能，因此要严格控制其含量。锰虽然也阻碍石墨化过程，但能与硫形成化合物MnS，减轻硫导致的脆性。

生产中常用碳当量来衡量铸铁石墨化能力的大小和铸造性能的好坏。碳当量指根据铸铁中各元素对共晶点时间碳含量的影响程度，将它们折算成相当总碳量，用下式计算：

2．冷却速度

铸铁件冷却速度越慢，碳原子扩散越充分，越有利于石墨化进行。

其他条件相同时，铸铁件壁越厚，冷却速度越慢。因此，铸铁件厚壁处易出现粗大石墨，而薄壁处则易产生白口。在砂型铸造条件下，铸铁中碳和硅的质量分数、冷却速度与铸铁组织的关系如图 7.3 所示。实际生产中，对于壁厚不同的铸铁件，通过调整化学成分来得到不同基体组织的灰口铸铁，以满足不同的需求。

图7.3　铸铁件壁厚、碳硅的质量分数对铸铁组织的影响

除化学成分和冷却速度外，加热温度、孕育处理等对石墨化也有显著的影响。